Java 内存模型
Java 内存模型试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
主内存与工作内存
处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级,为了解决这种速度矛盾,在它们之间加入了高速缓存。
加入高速缓存带来了一个新的问题:缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域,那么多个缓存的数据可能会不一致,需要一些协议来解决这个问题。
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所有的变量都存储在主内存中,每个线程还有自己的工作内存,工作内存存储在高速缓存或者寄存器中,保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。
线程只能直接操作工作内存中的变量,不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。
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内存间交互操作
Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。
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- read:把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
- load:在 read 之后执行,把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中
- use:把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
- assign:把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
- store:把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
- write:在 store 之后执行,把 store 得到的值放入主内存的变量中
- lock:作用于主内存的变量
- unlock
内存模型三大特性
1. 原子性
Java 内存模型保证了 read、load、use、assign、store、write、lock 和 unlock 操作具有原子性,例如对一个 int 类型的变量执行 assign 赋值操作,这个操作就是原子性的。但是 Java 内存模型允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据(long,double)的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行,即 load、store、read 和 write 操作可以不具备原子性。
有一个错误认识就是,int 等原子性的类型在多线程环境中不会出现线程安全问题。前面的线程不安全示例代码中,cnt 属于 int 类型变量,1000 个线程对它进行自增操作之后,得到的值为 997 而不是 1000。
为了方便讨论,将内存间的交互操作简化为 3 个:load、assign、store。
下图演示了两个线程同时对 cnt 进行操作,load、assign、store 这一系列操作整体上看不具备原子性,那么在 T1 修改 cnt 并且还没有将修改后的值写入主内存,T2 依然可以读入旧值。可以看出,这两个线程虽然执行了两次自增运算,但是主内存中 cnt 的值最后为 1 而不是 2。因此对 int 类型读写操作满足原子性只是说明 load、assign、store 这些单个操作具备原子性。
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AtomicInteger 能保证多个线程修改的原子性。
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使用 AtomicInteger 重写之前线程不安全的代码之后得到以下线程安全实现:
public class AtomicExample { private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger(); public void add() { cnt.incrementAndGet(); } public int get() { return cnt.get(); } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final int threadSize = 1000; AtomicExample example = new AtomicExample(); // 只修改这条语句 final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize); ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i = 0; i < threadSize; i++) { executorService.execute(() -> { example.add(); countDownLatch.countDown(); }); } countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); System.out.println(example.get()); } 1000
除了使用原子类之外,也可以使用 synchronized 互斥锁来保证操作的原子性。它对应的内存间交互操作为:lock 和 unlock,在虚拟机实现上对应的字节码指令为 monitorenter 和 monitorexit。
public class AtomicSynchronizedExample { private int cnt = 0; public synchronized void add() { cnt++; } public synchronized int get() { return cnt; } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final int threadSize = 1000; AtomicSynchronizedExample example = new AtomicSynchronizedExample(); final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize); ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i = 0; i < threadSize; i++) { executorService.execute(() -> { example.add(); countDownLatch.countDown(); }); } countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); System.out.println(example.get()); } 1000
2. 可见性
可见性指当一个线程修改了共享变量的值,其它线程能够立即得知这个修改。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。
主要有有三种实现可见性的方式:
- volatile
- synchronized,对一个变量执行 unlock 操作之前,必须把变量值同步回主内存。
- final,被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且没有发生 this 逃逸(其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象),那么其它线程就能看见 final 字段的值。
对前面的线程不安全示例中的 cnt 变量使用 volatile 修饰,不能解决线程不安全问题,因为 volatile 并不能保证操作的原子性。
3. 有序性
有序性是指:在本线程内观察,所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程,所有操作都是无序的,无序是因为发生了指令重排序。在 Java 内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。
volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排,即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。
也可以通过 synchronized 来保证有序性,它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码。
先行发生原则
上面提到了可以用 volatile 和 synchronized 来保证有序性。除此之外,JVM 还规定了先行发生原则,让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。
1. 单一线程原则
Single Thread rule
在一个线程内,在程序前面的操作先行发生于后面的操作。
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2. 管程锁定规则
Monitor Lock Rule
一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
![](https://img2018.cnblogs.com/blog/759814/201810/759814-20181031162659754-983667792.png)
3. volatile 变量规则
Volatile Variable Rule
对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
![](https://img2018.cnblogs.com/blog/759814/201810/759814-20181031162724622-1270479940.png)
4. 线程启动规则
Thread Start Rule
Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。
![](https://img2018.cnblogs.com/blog/759814/201810/759814-20181031162746219-1230757783.png)
5. 线程加入规则
Thread Join Rule
Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。
![](https://img2018.cnblogs.com/blog/759814/201810/759814-20181031162813210-1051939751.png)
6. 线程中断规则
Thread Interruption Rule
对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。
7. 对象终结规则
Finalizer Rule
一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的 finalize() 方法的开始。
8. 传递性
Transitivity
如果操作 A 先行发生于操作 B,操作 B 先行发生于操作 C,那么操作 A 先行发生于操作 C。